Лекция 4 Теплоносители Выбор теплоносителя для осуществления теплообмена в аппаратах определяется рядом условий: назначением и характером теплового процесса, конструкцией теплообменного аппарата, теплофизическими и эксплуатационными свойствами теплоносителей, их экономическими показателями и т.д. Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах, на твердые, жидкие и газообразные. Твердые теплоносители применяются в высокотемпературных процессах нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности и в других отраслях для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до высоких температур. К ним относятся [ Бакл.]: шарики диаметром 8 – 12 мм или более мелкие зернистые фракции из стали, чугуна, кремнезема, карборунда, каолина, окислов алюминия, магния, циркония. Жидкие теплоносители широко применяемы и весьма разнообразны. К ним относятся [Бакл.]: вода, минеральные масла, дифенил, дифениловый эфир, кремнийорганические соединения (селиконы), расплавы металлов, сплавов и солей (ртуть, свинец, литий, калий, натрий, нитритнитратная смесь и др.). Газообразные теплоносители нашли применение в технике. К ним относятся [Бакл.]: воздух, дымовые газы, азот, углекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, а также пары воды и других веществ. В технологических процессах, где температура ниже 0С, применяются хладоносители и хладоагенты (аммиак, хладон 12, хладон 22, водные растворы солей щелочных металлов и др.). При очень низких температурах применяют жидкости (жидкие кислород, воздух, водород, азот, гелий). криогенные Самыми распространенными теплоносителями являются водяной пар, горячая и холодная вода, топочные и дымовые газы, воздух. По назначению выделяют греющий теплоноситель, охлаждающий теплоноситель, или хладоноситель, промежуточные тепло- и хладоносители, хладагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т.п. По многофазные теплоносителям агрегатному (чаще состоянию двухфазные) оносятся различают однофазные теплоносители. низкотемпературная К плазма и однофазным (пламя), газы, неконденсирующиеся пары, смеси газов и неконденсирующихся паров, не кипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси и растворы, твердые многофазным материалы теплоносителям (чаще сыпучие). относятся кипящие, К двухфазным и испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси при конденсации содержащихся в них паров, плавящиеся и затвердевающие, возгоняющиеся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли и другие запыленные газовые потоки, эмульсии, суспензии, шламы, пасты и прочие реологически сложные системы. По диапазону рабочих температур выделяют высокотемпературные (дымовые и топочные газы, минеральные масла, кремнийорганические и дефинильные соединения, расплавы солей и жидкие металлы); среднетемпературные (водяной пар, вода и воздух); низкотемпературные теплоносители (холодильные агенты) и теплоносители применяемые при криогенных температурах (сжиженные газы – кислород, водород, азот, воздух и др. и их пары). Важное значение при выборе теплоносителей играют их теплофизические свойства, особенно те, которые определяют интенсивность теплоотдачи в каналах теплообменников. К таким теплофизическим свойствам относятся: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, температура кипения и температура плавления. Плотность показателями. и теплоемкость Теплоносители, являются обладающие наиболее большой важными плотностью и теплоемкостью позволяют переносить теплоту в больших количествах при малых собственных температурных перепадах. Вода, обладающая высокой теплоемкостью (С = 4190 Дж/(кг К)), имеет значительные преимущества по сравнению с другими жидкостями, металлами и газом. Коэффициент теплопроводности существенно влияет на коэффициент теплоотдачи в теплообменнике. Чем больше теплопроводность, тем больше коэффициент теплоотдачи на стороне этого теплоносителя. Жидкие металлы превосходят по теплоотдаче жидкости и газы благодаря высокой теплопроводности. Вязкость существенно влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. С увеличением температуры вязкость понижается. При прочих равных условиях при высокой вязкости задерживается переход от ламинарного к турбулентному режиму течения жидкости. Число Прандтля Pr a характеризует теплофизические свойства теплоносителей и является одной из важнейших их характеристик. Для воздуха и газов Pr 1. Для воды Pr = 13,67…1 в зависимости от температуры. У масел, жидких топлив, кремнийорганических соединений и др. веществ Pr = 100…65000, у жидких металлов Pr<<1. С увеличением температуры число Прандтля увеличивается. Температура кипения теплоносителя определяет его давление в процессе передачи теплоты. Она должна быть высокой, тогда для поддержания теплоносителя в жидком состоянии не требуется резкого повышения давления. Это удешевляет теплообменное устройство, так как позволяет иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, а также упрощает поддержание герметичности в установках. Точность результатов теплового расчета теплообменных аппаратов во многом зависит от надежности определения теплофизических свойств теплоносителей. Теплофизические свойства всех перечисленных выше теплоносителей приведены в таблицах [Бажан ]. Теплоносители, в целом должны отвечать следующим требованиям: быть химически стабильными, не оказывать коррозийного и эрозийного воздействия, не образовывать взрывоопасных смесей; иметь достаточную термостойкость; обеспечивать достаточно интенсивный теплообмен, обладая высокой теплоемкостью и малой вязкостью; быть достаточно доступными и иметь невысокую стоимость; отличаться малой химической токсичностью; иметь высокие температуры кипения и воспламенения; быть удобными в транспортировке, хранении и заправке. Применяемые в технике теплоносители всем требованиям одновременно не отвечают. Допустимые и оптимальные расстояния, на которые может быть осуществлен транспорт теплоты с помощью теплоносителей от ее источника к потребителю, скорость движения и температуры теплоносителей в аппаратах устанавливают в результате технико-экономического расчета. При этом учитывают капитальные вложения, которые определяются затратами на изготовление элементов системы, проведение строительных работ и монтаж оборудования, а также эксплуатационные затраты, включающие стоимость энергии на прокачку теплоносителя, расходы на ремонт оборудования и зарплату обслуживающего персонала. Приведенные в таблицах ориентировочные значения скоростей и коэффициентов теплопередачи, при которых целесообразно использовать те или иные теплоносители, получены с учетом их свойств на основе техникоэкономических расчетов и опыта эксплуатации теплотехнологического и теплоэнергетического оборудования. Таблица 6.1. Рекомендуемые скорости теплоносителей при вынужденном течении в каналах и трубах теплообменников Среда Скорость м/с Маловязкие жидкости (вода, бензин, керосин) 0,5 – 3 Вязкие жидкости (масла, растворы солей) 0,2 - 1 Запыленные газы при атмосферном давлении 6 – 10 Не запыленные газы при атмосферном давлении 12 – 16 Газы под давлением (до десятков МПа) До 15 – 30 Пар насыщенный 30 - 50 Пар: Перегретый 30 – 75 Разряженный 100 - 200 Таблица 6.2. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи Процесс Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К) Нагревание и охлаждение: Газов Перегретых паров Масел Воды Кипение: Органических жидкостей Воды Пленочная конденсация: Водяного пара Органических паров 1 – 60 20 –120 60 – 1700 200 – 10000 600 – 10000 6000 – 50000 5000 – 20000 600 – 2500 Расход энергии на транспорт газообразных теплоносителей из-за малой их плотности, низких коэффициентов теплоотдачи, больших массовых и особенно объемных расходов значительно выше, чем на транспорт капельных жидкостей. Поэтому дымовые газы, например, транспортируют не более чем на несколько сотен метров, пар под давлением – на расстояния до десятков километров, воду – на десятки и сотни километров. При высоких давлениях свойства газов и паров, скорости их движения и техникоэкономические показатели приближаются к аналогичным характеристикам капельных теплоносителей. Чем выше давление, тем ниже допустимая скорость паров и газов. Для предотвращения образивного износа трубопроводов и поверхностей нагрева скорость движения запыленных газовых потоков не должна превышать 10 – 12 м/с. Для предотвращения коррозии оборудования дымовые газы не рекомендуют охлаждать ниже температуры точки росы, при которой начинается конденсация пара. Если в качестве теплоносителя используется влажный воздух, то на поверхности с отрицательной температурой образуется лед или иней, что снижает интенсивность теплоотдачи. Одним из способов эффективного использования теплоносителей является замена пара и горячей воды высокотемпературными капельными теплоносителями. Их температура кипения при атмосферном давлении выше, чем воды, таким образом, удается обеспечить работу установок под более низким давлением. Органические теплоносители чаще используются в жидком состоянии (например, дифенильные смеси). Показатели эффективности ТА Выбор оптимальной конструкции теплообменника строится на технико-экономическом сравнении нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям или благодаря критериям эффективности. Наиболее общим критерием при создании любого теплообменного оборудования являются экономические показатели, обеспечивающие минимум суммарных приведенных расчетных затрат на его изготовление и эксплуатацию П=К/Т+Э, где К – капитальные вложения; Т – нормативный срок окупаемости; Э – эксплуатационные затраты. Однако на начальной стадии проектирования теплообменника стоимость его изготовления определяется весьма ориентировочно и неточно, поэтому наиболее правильно применять термодинамические критерии. В химической, нефтегазовой промышленности и иногда в теплоэнергетике при выборе наилучшего варианта из серийно выпускаемой продукции предпочтение отдается экономическим показателям, в частности приведенным затратам. В других отраслях машиностроения экономические показатели применяют реже, что объясняется трудностями оценки эксплуатационных затрат и небольшими сериями выпуска постоянно улучшаемой теплообменной аппаратуры. Совершенство теплообменного аппарата может быть оценено энергетическим коэффициентом Е, представляющим собой отношение переданного тепла Q к затратам механической энергии на прокачку теплоносителя N [Будов]: E=Q/N. Чем больше теплообменник или значение его E, тем поверхность при прочих равных теплообмена условиях совершеннее с теплогидродинамической (энергетической) точки зрения. Представив Q=KF t и разделив числитель и знаменатель на площадь поверхности теплообмена F, получим удельный показатель теплопередачи и энергозатрат на единицу поверхности. Примем t =1К, тогда Е 0 =K/N 0 , где Е 0 - коэффициент энергетической эффективности; N 0 - удельная мощность средств циркуляции на прокачку теплоносителей через единицу поверхности теплообмена; К – коэффициент теплопередачи. Коэффициент энергетической эффективности (критерий Кирпичева) характеризует количество тепла, переданного при единичном температурном напоре и единичных затратах мощности на прокачку теплоносителей через единицу поверхности теплообмена. Удельный показатель теплоотдачи и энергозатрат на единицу площади теплообменной поверхности при единичном температурном напоре будет определяться по следующей формуле: Е 0 = /N 0 , где N 0 =G p /( F). Здесь - коэффициент теплоотдачи; G и p расходы и гидравлические потери (рассматривается одностороннее обтекание). Тепловым показателем совершенства теплообменника является коэффициент его полезного действия (к.п.д.): =Q 2 /Q 1 , где Q 1 - максимально возможное количество теплоты, которое может быть передано от горячего теплоносителя холодному в данных условиях; Q 2 количество теплоты, затраченной на технологический процесс. В последнее время большое распространение получил метод оценки термодинамического совершенства теплообменного аппарата при помощи эксергетического к.п.д.: Е ' ' ex = E ' , ' '' где Е - все виды поступающих в аппарат потоков эксергии; E - все виды выходящих из аппарата потоков эксергии.